Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследуемого вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1. Аналив существующих методик определения границ рационального применения снарядов со съемными керноприемниками ..
1.2. Цель работы и задачи исследований 18
2. Методика исследований 24
2.1. Методика исследований затрат времени на проведение спуско-подъемных операций при бурении скважин снарядами со съемными керноприемниками и традиционным способом 24
2.2. Методика оценки механической скорости бурения в различных системах "бурильная колонна - скважина" 25
2.3. Методика исследования траектории движения сечения колонкового снаряда 25
2.4. Методика экспериментальных исследований энергетической характеристики бурильных колонн 26
2.5. Экспериментальный стенд 30
3. Комплексная методики оценки границ рационального применения снарддов со съемными 32
3.1. Сравнение способов бурения по производительности 32
3.2. Сравнение способов бурения по стоимости сооружения скважин 44
Вы в о ды 48
4. Влияние характеристики системы "скважина-бурильная колонна на механическую скорость бурения (дня системы с колоннами сш-50 и ксск-76) 49
4.1. Исследование зависимостей h0^-f(rh ho5~f(^) при различных характеристиках системы "скважина - бурильная колонна" 51
4.2. Учет влияния характеристики системы "скважина -бурильная колонна" на оценку ожидаемой механической скорости бурения
В ы в о д ы
5. Сравнительная оценка естественного искривления при бурении скважин снарядами ксск-76 и традиционным способом 79
5.1. Естественное искривление скважин при бурении снарядами со съемными керноприемниками и при бурении традиционным способом в идентичных горно-геологичесних условиях
5.2. Краткая оценка применимости снарядов со съемными керноприемниками при бурении криволинейных направленных и многоствольных скважин
5.3. Экспериментальная оценка вероятной формы движения колонкового снаряда в зависимости от системы "скважина-бурильная колонна" 98
Вы в о ды Х09
6. Экспериментальные исследования энергетической характеристики бурильных колонн в зависимости от. параметров системы "скважина - бурильная колонна"
6.1. Анализ результатов исследований по затратам мощности на вращение бурильной колонны 111
6.2. Исследование затрат мощности на холостое вращение бурильных колонн в зависимости от их длины и частоты вращения
6.3. Исследование влияния величины радиального зазора на энергетическую характеристику бурильной колонны 122
6.4. Исследование затрат мощности на разрушение забоя и на вращение бурильных труб, создающих осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент 125
6.5. Анализ результатов экспериментальных измерений затрат мощности на вращение бурильной колонны и эмпирические зависимости 129
Быв оды 135
7. Определение, целесообразности применения снарядов ксск-76 на месторождениях восточного донбасса 138
7.1. Горно-геологические условия бурения скважин в Восточном Донбассе 138
7.2. Оценка ресурса колонны бурильных труб комплекса КССК-76 и-СНМ-50 143
7.3. Комплексная оценка оггределения границ рационального применения снарядов КССК-76 на месторождениях Восточного Донбасса 146
Выводы и рекомендации 158
Список литературы
- Аналив существующих методик определения границ рационального применения снарядов со съемными керноприемниками
- Методика оценки механической скорости бурения в различных системах "бурильная колонна - скважина"
- Сравнение способов бурения по стоимости сооружения скважин
- Краткая оценка применимости снарядов со съемными керноприемниками при бурении криволинейных направленных и многоствольных скважин
Введение к работе
В основных направлениях развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 годы» принятых ХХУІ съездом КПСС, поставлена задача по дальнейшему увеличению разведанных запасов минерально-сырьевых ресурсов нашей страны. Для этого необходимо повысить техническую оснащенность геолого-разведочных работ, прежде всего, механического колонкового бурения, затраты на проведение которого достигают 40% общих ассигнований из госбюджета на проведение геологоразведочных работ по Министерству геологии СССР; создать и внедрить новое высокопроизводительное оборудование, методы и технологию производства и повысить требования к эффективности и быстрой окупаемости новой техники. Одним из основных и наиболее перспективных направлений повышения производительности колонкового бурения является увеличение объемов бурения скважин снарядами со съемными керноприемникани (ССК). Как известно, этот метод бурения является в настоящее время прогрессивным и достаточно эффективным. С широким внедрением этого метода связано обеспечение дальнейшего повышения производительности колонкового бурения и качества получаемого кернового материала в XI пятилетке и на дальнейший период.
Специфические особенности, присущие методу бурения снарядами со съемными керноприемникани, потребовали создания качественно новых и более дорогостоящих бурильных колонн, которые сегодня требуют детального и всестороннего изучения условий их эксплуатации, оценки эффективности применения снарядов ССК как по техническим, так и по экономическим критериям.
Настоящая диссертационная работа, учитывая необходимость комплексной оценки эффективности применения снарядов ССК, посвящена методике определения областей рационального применения снарядов со съемными керноприемниками с учетом конкретных горно-геологичес-
ких условий, производительности и стоимости работ, а также возможного диапазона изменения технологических параметров режима бурения и конкретной характеристики системы "скважина-бурильная колонна". В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе решены следующие задачи:
разработана комплексная методика определения границ рационального применения снарядов со съемными керноприемниками, которая базируется на критериях производительности и стоимости;
предложен обобщенный безразмерный показатель определения границ рационального применения снарядов со съемными керноприемниками, который учитывает глубину скважины, механическую скорость бурения, углубку за цикл и за рейс и стоимостные затраты на сооружение скважины;
установлено качественное влияние сравниваемых систем "скважина-бурильная колонна" на механическую скорость бурения;
установлены зависимости механической скорости бурения для исследуемых "систем" и различного породоразрушающего инструмента от глубины скважины и технологических параметров режима бурения в горно-геологических условиях Восточного Донбасса;
установлено, что снважины, пробуренные с применением снаряда КССК-76 и традиционным способом, обладают аналогичными закономерностями естественного искривления скважин, а средняя интенсивность искривления скважин, пробуренных КССК-76 в идентичных горно-геологических условиях, меньше, чем при традиционном способе бурения;
- установлено, что амплитуда перемещения центра сечения ко
лонкового снаряда зависит от характеристики системы "скважина-
бурильная колонна", а зафиксированная в стендовых условиях траек
тория центра сечения колонкового снаряда соответствует форме дви
жения Ф* (обратная прецессия).
Автор защищает:
Методику определения границ рационального применения снарядов со съемными керноприемниками, базирующуюся на критериях производительности и стоимости, приведенную к одному обобщенному виду, позволяющую установить границы рационального применения снарядов со съемными керноприемниками в различных горно-геологических условиях.
Сравнение способов бурения при определении границ рационального применения снарядов со съемными керноприемниками должно осуществляться по обобщенному критерию, который учитывает глубину скважины, механическую скорость бурения, проходку за рейс и за цикл и стоимостные затраты на сооружение скважин.
3.Механическая скорость бурения как функция частоты вращения и осевой нагрузки существенно зависит от характеристики системы "скважина-бурильная колонна" и снижается с увеличением радиального зазора между колонной бурильных труб и стенками скважины и с уменьшением жесткости колонны.
4. Интенсивность естественного искривления скважин, пробурен
ных в идентичных горно-геологических условиях, зависит от харак
теристики системы "скважина-бурильная колонна", что определяется
главным образом видом движения колонкового снаряда. В среднем,
интенсивность искривления скважин, пробуренных снарядами КССК-76
меньше, чем при традиционном алмазном бурении.
5, Применение колонны бурильных труб большего диаметра, повы
шенной жесткости и массы в нормальных условиях приводит к повыше
нию мощности на холостое вращение.
Работа выполнена в 1979-1984 годах в Московском геологоразведочном институте им. Серго Орджоникидзе. Экспериментальные исследования проведены в производственных условиях в Восточно-Уральской ГРЭ ПГО "Запказгеология", Северо-Донецкой и НесветаевскоЙ
_ 8 -
ГРЭ ПГО ЧОжгеология", а также на горизонтальном буровом стенде кафедры разведочного бурения МГРИ.
Результаты исследований опубликованы в 6 статьях, освещены в б научно-исследовательских отчетах, обсуждались на научно-технических советах ПГО "Запкавгеология", Восточно-Уральской ГРЭ, ПГО "Южгеология" и на научных конференциях МГРИ. По результатам проведенных научно-исследовательских работ составлена временная инструкция по бурению геологоразведочных скважин снарядами КССК-76 в сложных горно-геологических условиях Донских месторождений хромитов.
Научное руководство осуществлялось доктором технических наук, профессором Д.Н.Башкатовым, которому автор выражает глубокую благодарность. Автор благодарит за консультации доцентов К.А.Боголюб-ского, В.П.Зиненко, А.Н.Кирсанова, С.В.Пенкевича, а также сотрудников указанных выше производственных организаций и кафедры разведочного бурения МГРИ, оказавших помощь при проведении экспериментальных работ.
„ 9 -
Аналив существующих методик определения границ рационального применения снарядов со съемными керноприемниками
Широкое применение в нашей стране снарядов со съемными керноприемниками показало, что во многих районах они являются высокоэффективными техническими средствами, позволяющими повысить производительность буровых работ, снизить себестоимость бурения, улучшить качество опробования и условия труда. Однако применение снарядов со съемными керноприемниками в сложных горно-геологических условиях, например, при поглощении промывочной жидкости в случае использования глинистого раствора в скважинах с повышенной разработкой ствола с высокой интенсивностью естественного искривления и т.д. привело к тому, что на ряде месторождений основные технико-экономические показатели бурения скважин съемными керноприемниками (скорость бурения, себестоимость одного метра скважины) уступают соответствующим величинам при обычном алмазном и твердосплавном бурении (например, себестоимость одного метра бурения снарядом KGCK-76 в Трудовской экспедиции ПРО "Донбассгеология" в 1982 году составила 7,54 туб., а базового варианта - 6,77 руб.).
Для получения максимального эффекта от внедрения снарядов со съемными керноприемниками необходимо определить области их рационального применения и уточнить границы, за пределами которых использование их становится нецелесообразным. О методике определения областей рационального применения снарядов со съемными керноприемниками в зарубежной и отечественной литературе нет единого мнения. Одни исследователи считают целесообразным использование CGK с начала бурения скважины, другие - лишь с глубины 200-300 метров.
Многие авторы /61, 63 / также придерживаются мнения, что применение ССК становится неэффективным, если углубка на коронку ССК меньше трехкратной углубки за рейс при обычном алмазном бурении или средняя углубка за цикл ССК меньше в 2-2,5 раза, чем соответствующая углубка за рейс заменяемого способа бурения.
Сложность определения областей рационального применения ССК усугубляется отсутствием общепринятого критерия эффективности. На эффективность ССК одновременно оказывает влияние большое число факторов (глубина скважины, углубка за рейс и цикл, механическая скорость бурения и дополнительные затраты на оборудование и инструменты) , поэтому установление связи между какими-то двумя показателями без учета всех остальных нельзя признать правомерным.
Разработанная в ВИПё методика определения эффективности ССК по величине удельного экономического эффекта / 83 / неполностью учитывает факторы, связанные с повышением производительности труда, высвобождением рабочих и оборудования, сокращением сроков разведки. Особенность методики заключается в том, что все условия применения ССК и базового варианта были уравнены за исключением затрат времени на спуско-подъемные операции.
Основой методики ВИТРа / 83 / является стоимостной критерий. Область применения снарядов ССК является рациональной, если удельный экономический эффект будет положительным:
Удельный экономический эффект определяется многими составляющими. Расчет по методике ВИТРа выполняется по алгоритму, разработанному Ю.Т.Морозовым и С.Н.Лавровым для ЭВМ "Мир-I". Алгоритм расчета экономического эффекта приведен в приложении I.
Экономический эффект, получаемый по данной методике, при определении удельной эффективности только за счет экономии времени на спуско-подъемные операции является минимально возможным и позволяет показать такие лишь области применения ССК, где экономическая эффективность этих снарядов не вызывает сомнения.
На основании анализа данной методики можно также сделать очевидные выводы: - с увеличением углубки за рейс при обычном бурении возрастает глубина интервала скважины, с которого применение ССК становится эффективным; - увеличение глубин скважин, пробуренных с применением ССК, повышает экономическую эффективность этого способа бурения; - с увеличением длины керноприемной трубы повышается эффективность применения ССК; - уменьшение углубки на коронку снижает эффективность ССК, расчетная экономическая эффективность от применения ССК составляет 30-50$,
Данная методика оценки рациональной области основана на установлении экономической эффективности снарядов ССК, при этом повышение (снижение) производительности отражается лишь на затратах, связанных с временем бурения скважин. Анализ влияния отдельных составляющих на стоимость одного метра бурения затруднен.
В работе И.М.Гинзбурга / 42,44 / границы рационального использования снарядов со съемными керноприемниками устанавливаются с учетом только одного основного фактора, обусловленного технологическими принципами работы и конструктивными особенностями снарядов ССК - сокращением затрат времени на вспомогательные операции. Механические скорости при использовании ССК и обычного способа бурения приняты одинаковыми.
Методика оценки механической скорости бурения в различных системах "бурильная колонна - скважина"
В процессе бурения производственных скважин на месторождениях Восточного Донбасса комплексами КССК-76 выполнялся хронометраж затрат времени на подъем и спуск колонн бурильных труб и кернопри-емников. Для получения сопоставимых данных аналогичные измерения проведены на скважинах, которые бурились с применением традиционных снарядов СБТМ-50. По полученным данным строились графики зависимости затрат времени на проведение спуско-подъемных операций от глубины скважины с последующим обобщением результатов экспериментов в виде эмпирических формул.
Для анализа изменения механической скорости бурения в зависимости от частоты вращения и осевой нагрузки в различных системах "скважина - бурильная колонна" за исходную величину была принята углубка за оборот. Опыты по установлению влияния еистемы "скважина - бурильная колонна" на эффективность процесса разрушения проводились на горизонтальном стенде с использованием двух колонн: колонны диаметром 50 мм муфтово-замкового соединения при ее работе в скважине диаметром 136 мм (система 50М/І36) и колонны диаметром 70 мм комплекса KGGK-76 в скважинах диаметром 76 и 136 мм (системы 70/76 KCGK и 70/136 КССК). Бурение велось в блоке однородного мрамора твердосплавными коронками типа GA-4 диаметром 76мм с заточенными и предварительно притуплёнными резцами и алмазными коронками типа К -30. Опыты проводились при осевой нагрузке 300, 600, 900 и 1200 даН, при расходе промывочной жидкости (воды) 50 л/ мин и диапазоне частот вращения 120 1015 об/мин. Каждый опыт при постоянных значениях осевой нагрузки и частоты вращения проводился не менее трех раз. Во всех опытах время бурения принималось постоянным. Режим работы бурильной колонны контролировался измерением затрат мощности на процесс бурения.
Анализ возможных способов измерения параметров движения сечения колонкового снаряда позволил остановиться на методе высокоскоростной киносъемки. Киносъемка проводилась скоростной кинокамерой СКС-Ш-І6 на горизонтальном стенде. На пленке фиксировалась траектория движения наблюдаемого (отмеченного) сечения колонковой трубы, расположенного на расстоянии 1,5 м от забоя в блоке породы. Сечение выделялось на колонковой трубе метками. Исследования выполнены для четырех систем "скважина - бурильная колонна": 50М/ 76, 50M/I36, 70/76 КССК и 70/136 при различных параметрах режима бурения. Во всех случаях использовалась стандартная колонковая труба диаметром 73 мм и длиной 5 м. Бурение велось алмазным поро-доразрушающим инструментом, блок породы был представлен железистым кварцитом.
Оьемка велась под некоторым углом к оси "скважины", как показано на схеме, приведенной на рис. 2.1. Для киносъемки использовался объектив с фокусным расстоянием у = 50 мм, который позволил получить достаточную перспективу и возможность свободно разместить осветительную аппаратуру между кинокамерой и объектом съемки. Для освещения объекта съемки использовались осветители типа КМ000. Скорость киносъемки выбиралась в соответствии с частотой вращения бурильной колонны с таким расчетом, чтобы на пленке было получено не менее 40-60 фиксированных положений наблюдаемого сечения за один оборот колонковой трубы.
Сравнение способов бурения по стоимости сооружения скважин
Для сравнительного анализа изменения механической скорости в зависимости от частоты вращения и осевой нагрузки в различных системах "скважина - бурильная колонна" была принята за исходную величину углубка за оборот - п (мм/об). Опыты по установлению влияния системы "скважина - бурильная колонна" на эффективность процесса разрушения проводились на горизонтальном стенде. Бурение осуществлялось твердосплавными и алмазными коронками в блоке однородного мрамора при использовании трех систем: 1. Система 70/76 КССК - бурильная колонна диаметром 70 мм сна ряда КССК в скважине диаметром 76 мм. 2, Система 70/136 КССК - бурильная колонна диаметром 70 мм сна ряда КССК в скважине диаметром 136 мм. 3 Система 50М/І36 - бурильная колонна диаметром 50 мм муфтово-замкового соединения СБ1М-50 в скважине диаметром 136 мм.
Для бурения применялись твердосплавные коронки типа СА-4 диаметром 76 мм с острыми и с предварительно притуплёнными до ширины 0,75 мм резцами, алмазные - типа К -30. Опыты проводились при осевой нагрузке 300, 600, 900 и 1200 даН, расходе промывочной жидкости Своды) 50 л/мин, диапазоне частот вращения 120 1015 об/мин. Режим работы бурильной колонны конролировался измерением мощности на процесс бурения. Обработанные результаты экспериментов приведены в табл. 4.1 и отражены на графиках рис. 4.3, 4.4.
Предварительное ознакомление с данными таблицы показывает, что увеличение частоты вращения во всех без исключения случаях приводит к снижению углубки за оборот, однако темп снижения углуб-ки в различных системах различен. Прослеживается четкое снижение углубки за оборот при моделировании увеличения разработки ствола скважины (сравним системы 70/76 КССК и 70/136 КССК) и при уменьшении жесткости колонны (70/136 КССК и 50M/I36).
Рассмотрим более детально показатели работы коронки GA-4, имеющей "острые" (без больших площадок притупления) резцы, в трех исследованных системах. Общий вид, приведенных на рис. 4.3, 4.4, зависимостей o Jv ж "oS3 / » гДе Р и » соответственно, осевая нагрузка и частота дает основание принять обобщенное эмпирическое выражение Ks Ke 6n Ре 6" (4.1) где: и- и о - опытные коэффициенты; - основание натурального логарифма; f) - некоторая начальная углубка за оборот при частоте вращения, стремящейся к нулю. Обработка опытных данных по методу наименьших квадратов позволила получить для системы: І. 70/76 ксск ha цгг to Р e Hi0 с 4.2 2. 70/136 КССК f oS = 06td P е 0 ШШ П с 4.3 ) 3. 50M/I36 "од 0,33 10 -H t 4.4 ) где: г - осевая сила, даН.
Наличие линейных апроксимирующих зависимостей n g j(г) позволяет определить возможное относительное "снижение" осевой нагрузки, возникающее в сравниваемых системах. Для примера рассмотрим системы 70/76 КССК и 70/136 КССК. При постоянной частоте вращения п будет справедливо ожидать постоянных углубок за оборот при равных забойных осевых нагрузках, соответствующих некоторому значению Гу , устанавливаемому на поверхности в системе 70/136 КССК:
Бурение специально притуплённой твердосплавной и алмазными коронками дало несколько иной вид зависимости nog -j(P) » как это видно из графика на рис. 4,6. Полагаем, что первая, так называемая "рабочая" область С см.рис. 4.6), может быть аппроксимирована уравнением вида: h K-P -Є » (4.ІЗ) где: Л , О , h - некоторые числовые величины, определяемые по опытным данным. Определение числовых значений коэффициентов в формуле (4.13) по данным табл. 4.1 позволяет записать: коронка алмазная .3 система 70/76 KUGK А ЦО& Р 6 9Sf0 h W.I4) система 70/136 КССК hQ Ofii Ш fQ 0 п t4.I5) система 50M/I36 hrf 0,0076 / « е е 4.16) коронка твердосплавная, резец притушенный система 70/136 КССК htf - if$№ - Р Є (4.17) система 50М/І36 hoS = 0,9 ?"3. Р Є $ & (4.18) Формула (4.18) получена, учитывая влияние только "системы", по аналогии с приведенными выше данными бурения алмазными коронками. Рассуждая аналогично предыдущему, положим для I и 2 систем (коронка алмазная): П0я j - п г ив соответствии с (4.14) и
Краткая оценка применимости снарядов со съемными керноприемниками при бурении криволинейных направленных и многоствольных скважин
Однако необходимо заметить, что реальное соотношение К/К определяется и видом движения колонковых снарядов. Поэтому для окончательного суждения об интенсивности искривления при использовании указанных компановок выполнен статистический анализ данных о естественном искривлении в двух районах, соответствующих требованиям работы снарядов КССК.
I. Район Восточного Донбасса.
В геологическом строении угольных месторождений Восточного Донбасса принимают участие осадочные породы четвертичного, третичного и каменноугольного возрастов. Четвертичные и третичные отложения в центральной части описываемого района представлены глинами, мергелями, песками, рыхлыми песчаниками и суглинками. Мощность этих отложений незначительна - от 1,0 до 3,0 метров.
Каменноугольные отложения представлены тремя отделами: нижним, средним и верхним и сложены обычным для Донбасса комплексом пород: чередованием сланцев глинистых, песчано-глинистых и песчаных УІ-УП категорий и небольшими по мощности слоями известняков и углей.
Мощность отдельных слоев песчаника колеблется от 0,5 до 40 м, а мощность сланцевых толщ достигает в некоторых случаях 100-150 м. Физико-«еханические свойства горных пород в пределах Восточного Донбасса зависят от степени метаморфизма и изменяются с глубиной их залегания. Гайдуков Ю.Я. / 39 / на основе измерения физико-механических свойств горных пород, взятых с различной глубины их залегания от дневной поверхности, установил, что буримость их с глубиной ухудшается.
Тектоника Восточного Донбасса сложная и разнообразная. Обнаженная часть бассейна отличается сложной складчатостью и сложена крупными линейными структурами, по периферии - мелкими складками и разрывами. Углы падения пород варьируются в широких пределах, от 2-10 до 45 -70. Более сложные условия бурения скважин наблюдаются в северной полосе мелкой складчатости Восточного Донбасса, где преобладают углы падения пород 20-45, часто встречаются до 60, Учитывая, что пласты горных пород в районах Восточного Донбасса залегают с углами наклона от 0 до 75, был проведен анализ интенсивности естественного искривления скважин в зависимости от угла наклона пород. Анализу было подвергнуто более 100 скважин, пробуренных в 1981 83 гг. в Несветаевской экспедиции традиционным способом, алмазными коронками диаметром 76 мм и снарядами KCGK-76. Методика исследования заключалась в следующем:
1. Интенсивность искривления определялась по интервалам скважин, где углы падения пород изменялись в пределах: 0-5, 6-Ю, XI-15, 16-20, 21-25:, 26-30 и 31-35 градусов.
2. Каждый указанный в п.Х интервал изменения углов падения горных пород характеризовался стабильным азимутом (допускались отклонения не более 20), что позволило свести к минимуму влияние изменения азимутального угла на определяемую величину интенсивности искривления.
3. Интенсивность искривления определялась из сведущего соотношения: л л J " li где: 6yt» 4t величина зенитного угла в начале и в конце каждого интервала, град; ti - длина интервала, м. 4. Полученные данные были подвергнуты статистической обработ ке / 57 /. Результаты определения средней интенсивности искривления представлены в табл. 5.3 и изображены на рис. 5.2.
Анализ полученных данных показал, что интенсивность искривления скважин растет с увеличением угла падения горных пород и, соответственно, с глубиной скважин. Из табл. 5.3 видно, что самая высокая интенсивность искривления получена при бурении колонной СБЇМ-50 как в Сулинском районе, так и в Южно-Кировском, при углах падения пород больших 20. При бурении же снарядами КССК в данных угленосных районах величина интенсивности искривления, на первый взгляд, несколько меньше.
